礦井通風系統阻力測試與優化研究

陳宗泉

（山西煤炭運銷集團三元微子鎮煤業有限公司山西長治047500）

0 引言

在煤礦生產過程中，礦井通風系統起著舉足輕重的作用，其通過形成負壓系統將地面的新鮮風流引入到井下，將井下空氣中的危害氣體含量稀釋，從而為工作人員提供安全的工作環境[1～3]。由于礦井生產是一個動態的過程，礦井通風系統必須能夠滿足生產活動需要，為井下各個位置提供足夠的風量，目前許多礦井由于開采范圍、深度的改變，導致礦井的地質環境有所變化，為了對礦井通風系統做出合理的優化，有必要對礦井通風系統阻力進行測定，從而分析該系統現狀，針對行的提出優化方案[4～6]。本文以山西某礦地質條件為基礎，對該礦井的通風系統阻力進行了測試與分析，從而得到了通風系統的不合理性，提出了優化方案，研究結果可對具有相似狀況的礦井有一定的參考意義。

1 礦井概況

山西某礦生產能力為120萬t/a，屬于低瓦斯礦井。礦井目前開采煤層為3#煤，煤層厚度平均為8.4 m，傾斜角度平均為4°，煤層在整個井田開采范圍內具有著較為穩定的賦存狀態，采用綜采放頂煤方法開采煤層。礦井開拓方式為立井開拓，采用中央并列式通風方式，其中主井負責回風，副井負責進風，礦井主要通風機型號為G4-73-12NO25D離心式通風機。

2 礦井通風阻力測定及分析

為了分析礦井通風系統的現狀，通常需要對通風系統的阻力進行測量，從而清楚整個系統中阻力的分布情況，得到通風系統的基礎數據，為通風系統的優化工作奠定基礎。

2.1 通風系統阻力測量方法

本次對礦井通風系統阻力的測定采用基點法。首先確定通風系統阻力測量路線，通過多個基點將整個線路分為若干個部分，然后布置兩臺氣壓計，其中一臺布置在井上以固定位置處，隔一定時間對氣壓值進行記錄，這臺氣壓計的作用主要是記錄在監測時間內的地表大氣壓變化情況，對井下氣壓數值起到一定的修正作用；第二臺氣壓計布置在已經設計好的基點位置，逐個對基點處的氣壓進行監測。在得到地表氣壓值和基點處氣壓值后，根據通風系統當時的溫度、風速以及基點處的標高可以計算出兩點之間的通風阻力。

2.2 測量路線選取

由于該礦井通風方式為中央并列式，測量路線需要選擇風量比較大、途經回采工作面的路線作為主要測量路線，并且該路線內巷道具有多種類型與支護方式。該礦井主要測量路線為：副井→西翼軌道大巷→暗斜井→東翼軌道大巷→五采區石門→5306回風巷→5306工作面→5306運輸巷→東翼膠帶大巷→采區軌道下山→總回風巷→主井→地面。

在測量路線確定后，需要在路線中布置測點，測點需盡量布置在具有代表性的巷道中，并且這些巷道盡量具有風量大、人員易通行的特點，相鄰兩個測點的風壓差最好在20 Pa以上?；谠撛瓌t，本次通風測量路線測點共布置50個。

2.3 測量結果分析

在通風路線及測量布置完畢后，對通風系統阻力進行了測量，并采用計算機對結果進行了分析。該礦井通風路線總阻力為1 841.5 Pa，風硐速壓為215.1 Pa，自然風壓為11.2 Pa，風機房風壓為2 053 Pa，本次測量結果誤差為0.72%，小于規程規定的5%，表明本次測量結果足夠準確，可以作為通風系統優化設計的數據依據。

測量結果得到后，需要對通風系統風阻情況進行分析，將本次風阻測量路線分為三部分，分別為進風段、用風段以及回風段，其中進風段為副井口到進風大巷區域，用風段為進風石門到回風石門區域，回風段為回風石門到主井口。根據上述劃分，50個測量點中的1～7號為進風段測量點，7～26號為用風段測量點，26～50號為回風段測量點，阻力分布圖與分布狀況如圖1、表1所示。

圖1 通風系統阻力分布圖

表1 通風系統阻力分布情況

從圖1、表1中可以看出，三個區段的風阻占比分比為26.8%、27.4%、45.8%，分配比例為2.73：2.74：4.53，該比例合理性較低，對其分析，具體問題如下：

（1）通風系統回風段風阻占比明顯過高，主要由于回風段巷道包括膠帶巷、總回風巷等巷道摩擦系數較高，并且局部巷道斷面較小，僅有8.6 m2，因此造成這些巷道內風阻增大。

（2）位于首采區以及六采區的部分巷道存在著一定的漏風情況，使得風流的一部分流入了采空區，易造成采空區出現自燃現象，因此通風系統穩定性較低。

（3）部分巷道內堆積有閑置的設備與材料，因此造成巷道的有效通風斷面減少，風阻增大。

（4）由于目前主要工作面大多分布在八采區，在這些區域巷道需風量較高，而目前該通風系統風量分配存在著一定的不均勻現象。

3 礦井通風系統優化方案

3.1 優化方案確定

根據上述分析可知，礦井通風系統存在的問題主要在于部分區域風阻較大，導致礦井各區段風量配比不合理，針對通風系統的問題，本文提出了三個方案來降低風阻，對通風系統進行優化，具體如下：

方案一：由于礦井的膠帶巷、總回風巷等巷道斷面較小，因此對這些巷道采取擴巷的方法，增大巷道斷面面積，減小巷道風阻。針對部分由于圍巖變形導致斷面減小的巷道，對巷道支護方式進行補強優化，采用高預應力錨桿、錨索，提高巷道支護強度，控制圍巖變形，提高巷道有效通風面積。對于礦井內長期閑置、不用的車場，采用構筑風墻的方法對其進行封閉，減少巷道漏風情況。此外在布置工作面時，合理、均衡布置工作面，實現均衡通風。

方案二：由于礦井內沒有布置專用回風井，通風線路較長，導致通風阻力較大，因此在井田范圍內新修建專用回風井，從而減小通風線路長度，減小礦井風阻。

方案三：對礦井主要通風機進行優化升級，增大通風系統風量，從而提高礦井通風能力，滿足井下各位置供風需求。

對比上述三個優化方案，由于方案二修建新風井需要對井下部分工作面進行停產，并且耗費時間多，工程量大，經濟成本耗費較大，方案三中對通風機進行優化升級，但目前礦井主要通風機性能已調整至最大，若要提升通風系統能力，只能對通風機進行更換，在經濟方面不合理，因此方案二、方案三并不適用。方案一在經濟方面比較合理，并且技術實施上可行，因此本文通風系統優化方案確定為方案一。

3.2 優化效果分析

通風系統優化方案確定后，在2017年進行實施，為有效分析優化后的通風系統狀態，對此時的通風系統參數進行了計算機解算，通風系統參數如表2所示。

表2 2017～2019年通風系統參數

從表中可以看出，通風系統優化后，每年通風系統等積孔均大于2 m2，通風難易程度屬于容易類別，礦井總風量在4 800 m3/min～6 000 m3/min范圍內，能夠滿足井下供風要求，礦井總風阻在1 300 Pa～1 450 Pa范圍內，相較于優化前有了明顯的降低，該結果表明優化后的礦井通風系統符合規定要求。

4 結論

本文以山西某礦地質條件為基礎，通過對礦井通風阻力的測量，從而分析出了現有通風系統的狀態及問題，提出了三個礦井通風系統優化方案，選擇了最合理的方案并在現場進行了實施。根據優化后的通風系統參數，礦井總風量能夠滿足井下供風需求，并且總風阻有了明顯降低，表明本文優化方案較為合理，能夠有效改善通風系統的問題。